快速理解TCP和UDP的差別

前言

最頭疼的問題莫過於到底該選TCP仍是UDP做爲傳輸層協議。經過快速對比分析 TCP 和 UDP 的區別，來幫助即時通信初學者快速瞭解這些基礎的知識點，從而在IM、消息推送等網絡通訊應用場景中能準確地選擇合適的傳輸層協議。

創建鏈接方式的差別

TCP

說到 TCP 創建鏈接，相信大多數人腦海裏確定能夠浮現出一個詞，沒錯就是--「三次握手」。TCP 經過「三次握手」來創建鏈接，再經過「四次揮手」斷開一個鏈接。在每次揮手中 TCP 作了哪些操做呢？

流程以下圖所示（TCP的三次握手和四次揮手）：

上圖就從客戶端和服務端的角度，清楚的展現了 TCP 的三次握手和四次揮手。能夠看到，當 TCP 試圖創建鏈接時，三次握手指的是客戶端主動觸發了兩次，服務端觸發了一次。

咱們能夠先明確一下 TCP 創建鏈接而且初始化的目標是什麼呢？

• 1初始化資源；
• 2告訴對方個人序列號。

因此三次握手的次序是這樣子的：

1. client端首先發送一個SYN包告訴Server端個人初始序列號是X；
2. Server端收到SYN包後回覆給client一個ACK確認包，告訴client說我收到了；
3. 接着Server端也須要告訴client端本身的初始序列號，因而Server也發送一個SYN包告訴client個人初始序列號是Y；
4. Client收到後，回覆Server一個ACK確認包說我知道了。

其中的 2 、3 步驟能夠簡化爲一步，也就是說將 ACK 確認包和 SYN 序列化包一同發送給 Client 端。到此咱們就比較簡單的解釋了 TCP 創建鏈接的「三次握手」。

UDP

咱們都知道 TCP 是面向鏈接的、可靠的、有序的傳輸層協議，而 UDP 是面向數據報的、不可靠的、無序的傳輸協議，因此 UDP 壓根不會創建什麼鏈接。

就比如發短信同樣，UDP 只須要知道對方的 ip 地址，將數據報一份一份的發送過去就能夠了，其餘的做爲發送方，都不須要關心。

數據發送方式的差別

關於 TCP、UDP 之間數據發送的差別，能夠體現兩者最大的不一樣之處：

• TCP：
  因爲 TCP 是創建在兩端鏈接之上的協議，因此理論上發送的數據流不存在大小的限制。可是因爲緩衝區有大小限制，因此你若是用 TCP 發送一段很大的數據，可能會截斷成好幾段，接收方依次的接收。
• UDP：
  因爲 UDP 自己發送的就是一份一份的數據報，因此天然而然的就有一個上限的大小。

那麼每次 UDP 發送的數據報大小由哪些因素共同決定呢？

• UDP協議自己，UDP協議中有16位的UDP報文長度，那麼UDP報文長度不能超過2^16=65536；
• 以太網(Ethernet)數據幀的長度，數據鏈路層的MTU(最大傳輸單元)；
• socket的UDP發送緩存區大小

先來看第一個因素，UDP 自己協議的報文長度爲 2^16 - 1，UDP 包頭佔 8 個字節，IP 協議自己封裝後包頭佔 20 個字節，因此最終長度爲： 2^16 - 1 - 20 - 8 = 65507 字節。

只看第一個因素有點理想化了，由於 UDP 屬於不可靠協議，咱們應該儘可能避免在傳輸過程當中，數據包被分割。因此這裏有一個很是重要的概念 MTU -- 也就是最大傳輸單元。

在 Internet 下 MTU 的值爲 576 字節，因此在 internet 下使用 UDP 協議，每一個數據報最大的字節數爲： 576 - 20 - 8 = 548

數據有序性的差別

TCP

對於 TCP 來講，自己 TCP 有着超時重傳、錯誤重傳、還有等等一系列複雜的算法保證了 TCP 的數據是有序的，假設你發送了數據 一、二、3，則只要發送端和接收端保持鏈接時，接收端收到的數據始終都是 一、二、3。

UDP

而 UDP 協議則要奔放的多，不管 server 端不管緩衝池的大小有多大，接收 client 端發來的消息老是一個一個的接收。

而且因爲 UDP 自己的不可靠性以及無序性，若是 client 發送了 一、二、3 這三個數據報過來，server 端接收到的多是任意順序、任意個數三個數據報的排列組合。

可靠性的差別

其實你們都知道 TCP 自己是可靠的協議，而 UDP 是不可靠的協議。

TCP

TCP 內部的不少算法機制讓他保持鏈接的過程當中是很可靠的。好比：TCP 的超時重傳、錯誤重傳、TCP 的流量控制、阻塞控制、慢熱啓動算法、擁塞避免算法、快速恢復算法 等等。

因此 TCP 是一個內部原理複雜，可是使用起來比較簡單的這麼一個協議。

UDP

UDP 是一個面向非鏈接的協議，UDP 發送的每一個數據報帶有本身的 IP 地址和接收方的 IP 地址，它自己對這個數據報是否出錯，是否到達不關心，只要發出去了就行了。

因此來研究下，什麼狀況會致使 UDP 丟包：

• 數據報分片重組丟失：在文章以前咱們就說過，UDP 的每一個數據報大小多少最合適，事實上 UDP 協議自己規定的大小是 64kb，可是在數據鏈路層有 MTU 的限制，大小大概在 5kb，因此當你發送一個很大的 UDP 包的時候，這個包會在 IP 層進行分片，而後重組。這個過程就有可能致使分片的包丟失。UDP 自己有 CRC 檢測機制，會拋棄掉丟失的 UDP 包；
• UDP 緩衝區填滿：當 UDP 的緩衝區已經被填滿的時候，接收方尚未處理這部分的 UDP 數據報，這個時候再過來的數據報就沒有地方能夠存了，天然就都被丟棄了。

使用場景總結

在文章最後的一部分，聊聊 TCP、UDP 使用場景。

先來講 UDP 的吧，有不少人都會以爲 UDP 與 TCP 相比，在性能速度上是佔優點的。

由於 UDP 並不用保持一個持續的鏈接，也不須要對收發包進行確認。

但事實上通過這麼多年的發展 TCP 已經擁有足夠多的算法和優化，在網絡狀態不錯的狀況下，TCP 的總體性能是優於 UDP 的。

那在何時咱們非用 UDP 不可呢？

• 對實時性要求高：好比實時會議，實時視頻這種狀況下，若是使用 TCP，當網絡很差發生重傳時，畫面確定會有延時，甚至越堆越多。若是使用 UDP 的話，即便偶爾丟了幾個包，可是也不會影響什麼，這種狀況下使用 UDP 比較好；
• 多點通訊：TCP 須要保持一個長鏈接，那麼在涉及多點通信的時候，確定須要和多個通訊節點創建其雙向鏈接，而後有時在NAT環境下，兩個通訊節點創建其直接的 TCP 鏈接不是一個容易的事情，而 UDP 能夠無需保持鏈接，直接發就能夠了，因此成本會很低，並且穿透性好。這種狀況下使用 UDP 也是沒錯的。

以上咱們說了 UDP 的使用場景，在此以外的其餘狀況，使用 TCP 準沒錯。

畢竟有一句話嘛：

when in doubt，use TCP。